Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer extern verursachten, ein Fahrzeug antreibenden oder bremsenden Größe, insbesondere eines solchen MomentsMethod and device for determining an externally caused quantity that drives or brakes a vehicle, in particular such a moment
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer extern verursachten, ein Fahrzeug antreibenden oder bremsenden Größe und insbesondere eines solchen Moments. Die Längsdynamik eines Fahrzeugs - Geschwindigkeit und Beschleunigung - wird durch verschiedene interne und externe Größen, insbesondere Momente, beeinflußt. Interne Größen/Momente im Sinne dieser Beschreibung sind beispielsweise das Motormoment, das Bremsmoment oder die Fahrwiderstände (die sich intern z. B. anhand von auf Erfahrungswerten basierenden Tabellen oder durch Konstanten oder durch Formeln, die den Fahrzeugbewegungszustand im Zusammenhang mit den Eigenschaften/Kennwerten des Fahrzeugs berücksichtigen, beschreiben lassen). Diese Größen lassen sich durch verschiedene Maßnahmen vergleichsweise genau ermitteln, so daß ihr Einfluß auf die Längsdynamik berücksichtigt werden kann. Daneben gibt es aber auch extern verursachte Größen, die sich insbesondere variabel zusätzlich zu den oben genannten (intern beschreibbaren) Fahrwiderständen ergeben. Hierzu zahlt beispielsweise die Hangabtriebskraft, wenn ein Fahrzeug auf einer geneigten Fahrbahn fährt. Die Hangabtriebskraft führt zu einem Moment, das die Längsdynamik des Fahrzeugs beeinflußt. Das gleiche gilt beispielsweise für Windkräfte, außergewöhnliche Rollwiderstände oder ähnliches. Diese extern verursachten Größen lassen sich entweder gar nicht oder über herkömmliche Sensoren nur schwer ermitteln - in der Regel benötigt man aber zusätzliche Sensorik, die es einzusparen gilt.
Für verschiedene Anwendungen ist es aber wünschenswert, auch extern verursachte, ein Fahrzeug antreibende oder bremsende Größen, insbesondere solche Momente, zu kennen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung wäre eine Anfahrhilfe am Berg. Anfahrhilfen am Berg sollen das komplizierte Handhaben von Bremse, Feststellbremse, Kupplung und Motor vereinfachen. Gleichzeitig muß aber sichergestellt werden, daß unter keinen Umständen das Fahrzeug rückwärts rollt, um beispielsweise Kollisionen mit bergab stehenden Fahrzeugen zu vermeiden. Wenn ein Fahrzeug am Berg anfahren will, gelten in erster Näherung die in Fig. 4 schematisch dargestellten Gesetzmäßigkeiten. Die Gewichtskraft FG des Fahrzeugs kann in eine Normalkomponente FN und eine Tangentialkomponente Fτ am Reifen eines Einradmodells zerlegt werden. Fτ führt zusammen mit dem Reifenradius rR zu einem Hangabtriebsmoment MH gemäß der FormelThe present invention relates to a method and a device for determining an externally caused variable that drives or brakes a vehicle, and in particular such a torque. The longitudinal dynamics of a vehicle - speed and acceleration - are influenced by various internal and external variables, in particular moments. Internal quantities / torques in the sense of this description are, for example, the engine torque, the braking torque or the driving resistance (which are internal, e.g. based on tables based on empirical values or by constants or by formulas that relate the vehicle movement state in connection with the properties / characteristic values of the Consider vehicle, have it described). These variables can be determined comparatively precisely by various measures, so that their influence on the longitudinal dynamics can be taken into account. In addition, there are also externally caused variables, which are variable in addition to the above-mentioned (internally writable) driving resistances. For example, the slope downforce pays for this when a vehicle is traveling on an inclined roadway. The downhill force leads to a moment that affects the longitudinal dynamics of the vehicle. The same applies, for example, to wind forces, exceptional rolling resistance or the like. These externally caused variables can either not be determined at all or can only be determined with difficulty using conventional sensors - but as a rule additional sensors are required which need to be saved. For various applications, however, it is desirable to also know externally caused variables that drive or brake a vehicle, in particular such moments. An example of such an application would be a start-up aid on the mountain. Hill traction aids are intended to simplify the complicated handling of the brake, parking brake, clutch and engine. At the same time, however, it must be ensured that under no circumstances does the vehicle roll backwards, for example in order to avoid collisions with downhill vehicles. If a vehicle wants to start on a hill, the regularities shown schematically in FIG. 4 apply in a first approximation. The weight force F G of the vehicle can be broken down into a normal component F N and a tangential component F τ on the tire of a unicycle model. F τ together with the tire radius r R leads to a downhill torque M H according to the formula
MH = FG • sin α • rR M H = F G • sin α • r R
Hierbei ist der Steigungswinkel. Das Hangabtriebsmoment MH würde ohne weitere Einflußmaßnahmen dazu führen, daß das Fahrzeug bergab rollt. Ihm entgegen wirken das haltende Bremsmoment MB und das beim Anfahren zusätzlich eingebrachte Motormoment MM. Eine Anfahrhilfe am Berg kann beispielsweise das Bremsmoment MB beeinflussen. Die Beeinflussung muß aber so erfolgen, daß zu jedem Zeitpunkt sichergestellt ist, daß die UngleichungHere is the pitch angle. The slope output torque M H would lead to the vehicle rolling downhill without further influencing measures. This is counteracted by the holding braking torque M B and the additional engine torque M M introduced when starting off. A starting aid on the mountain can influence braking torque M B , for example. The influence must be such that it is ensured at all times that the inequality
MH < MB + MM M H <M B + M M
erfüllt ist. Nur dann wird ein Rückwärtsrollen des Fahrzeugs sicher vermieden. Um die obige Gleichung erfüllen zu können, ist die Kenntnis des Hangabtriebsmoments erforderlich.is satisfied. Only then will the vehicle roll backwards safely. In order to be able to satisfy the above equation, knowledge of the downhill torque is required.
Ähnliche Überlegungen wie die obigen gelten in dynamischenSimilar considerations as the above apply in dynamic
Situationen (Fahrzeuggeschwindigkeit ungleich Null). Bei
langsamer Bergauffahrt im Stadtverkehr können beispielsweise Überlegungen wie die oben angesprochenen wichtig werden. Auch in solchen Fällen ist es wünschenswert, die extern verursachten, ein Fahrzeug antreibenden oder bremsenden Größen, insbesondere solche Momente, zu kennen, um das Fahrzeug geeignet beeinflussen zu können.Situations (non-zero vehicle speed). at Slower uphill driving in city traffic, for example, considerations like those mentioned above can become important. Even in such cases, it is desirable to know the externally caused variables that drive or brake a vehicle, in particular such moments, in order to be able to influence the vehicle in a suitable manner.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer extern verursachten, ein Fahrzeug antreibenden oder bremsenden Größe, insbesondere eines solchen Moments, anzugeben.The object of the invention is to provide a method and a device for determining an externally caused variable that drives or brakes a vehicle, in particular such a torque.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.This object is achieved with the features of the independent claims. Dependent claims are directed on preferred embodiments of the invention.
Die extern verursachten Größen und insbesondere Momente werden durch einen Beobachter ermittelt. Der Beobachter empfängt intern verursachte, ein Fahrzeug antreibende oder bremsende Größen, insbesondere Momente, ermittelt daraus, wie sich die Längsdynamik des Fahrzeugs entwickeln müßte, vergleicht dieses Ergebnis mit tatsächlich gemessenen Werten der Längsdynamik und schließt aus eventuellen Abweichungen auf extern verursachte, ein Fahrzeug antreibende oder bremsende Größen, insbesondere Momente.The externally caused variables and in particular moments are determined by an observer. The observer receives internally caused, driving or braking variables, in particular moments, determines from it how the longitudinal dynamics of the vehicle should develop, compares this result with actually measured values of the longitudinal dynamics and deduces from possible deviations to externally caused, driving a vehicle or braking sizes, especially moments.
Bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung genauer erläutert, es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 ein Blockdiagramm der Erfindung,1 is a block diagram of the invention;
Fig. 2 den Beobachter aus Fig. 1,2 the observer from FIG. 1,
Fig. 3 beispielhaft ein Modell für die Fahrzeugdynamik, und3 shows an example of a model for vehicle dynamics, and
Fig. 4 schematisch geltende physikalische Zusammenhänge in einer beispielhaften Anwendung.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform. Die Einrichtungen 10 bis 12 sind Einrichtungen zum Ermitteln interner bzw. intern verursachter Momente. Insbesondere können eine Einrichtung 12 zur Ermittlung des Motormoments MMotAchse und eine Einrichtung 11 zum Ermitteln eines Bremsmoments MBremsAchse vorgesehen sein. Daneben kann auch eine Einrichtung 10 zum Ermitteln eines Fahrwiderstands MFahrWid vorgesehen sein. Die Einrichtungen 10 bis 12 arbeiten ihrerseits nach Maßgabe bestimmter Eingangsgrößen. Insbesondere können die Einrichtungen 11 und 12 Modelle und/oder Tabellen sein, die das Verhalten der Bremse und/oder des Motors/Getriebes modellieren bzw. beschreiben und die gewünschten Ausgangsgrößen liefern.4 shows schematically valid physical relationships in an exemplary application. Fig. 1 shows schematically a first embodiment of the invention. The devices 10 to 12 are devices for determining internal or internally caused moments. In particular, a device 12 for determining the motor torque MMotAxis and a device 11 for determining a braking torque MBraxisAxis can be provided. In addition, a device 10 for determining a driving resistance MFahrWid can also be provided. The devices 10 to 12 in turn work according to certain input variables. In particular, the devices 11 and 12 can be models and / or tables that model or describe the behavior of the brake and / or the motor / transmission and deliver the desired output variables.
Der Beobachter 13 ermittelt anhand eines Modells und bezugnehmend auf die oben geschilderten Eingangsgrößen das "theoretische" Fahrverhalten bzw. die "theoretische" Längsdynamik, insbesondere Geschwindigkeit, des Fahrzeugs, wobei auch hierfür auf charakteristische Werte Bezug genommen wird. Charakteristische Werte sind beispielsweise Reifenradius oder Fahrzeugmasse. Außerdem empfängt der Beobachter 13 einen dem theoretischen Wert entsprechenden gemessenen Wert aus einer entsprechenden Einrichtung 14. Eine Abweichung zwischen theoretischem und gemessenem Wert kann bei hinreichend genauer Modellierung der Längsdynamik auf extern verursachte, nicht modellierte Größen, insbesondere Momente, zurückgeführt werden, so daß aus der Abweichung auf eben diese externe Größe geschlossen werden kann.The observer 13 uses a model and with reference to the input variables described above to determine the "theoretical" driving behavior or the "theoretical" longitudinal dynamics, in particular speed, of the vehicle, with reference also being made to characteristic values for this. Characteristic values are, for example, the tire radius or vehicle mass. In addition, the observer 13 receives a measured value corresponding to the theoretical value from a corresponding device 14. A deviation between the theoretical and the measured value can be traced back to externally caused, modeled variables, in particular moments, with sufficiently precise modeling of the longitudinal dynamics, so that from the Deviation on this external variable can be concluded.
Fig. 2 zeigt den Beobachter 13 aus Fig. 1 in genauerer Darstellung. Der Beobachter 13 weist ein Modell des Fahrverhaltens bzw. der Längsdynamik des Fahrzeugs auf, dies sind die Ziffern 31 bis 36. Außerdem weist er eine Einrichtung zur Ermittlung der externen Größe auf, es handelt sich um die ZiffernFIG. 2 shows the observer 13 from FIG. 1 in more detail. The observer 13 has a model of the driving behavior or the longitudinal dynamics of the vehicle, these are the numbers 31 to 36. In addition, he has a device for determining the external variable, these are the numbers
21, 22, 25. Bevor die Funktion des Beobachters 13 anhand von
Fig. 2 genauer erläutert wird, wird bezugnehmend auf Fig. 3 das Modell des Fahrverhaltens bzw. der Längsdynamik des Fahrzeugs beschrieben. In Fig. 3 sind die Komponenten 31 bis 36 aus Fig. 2 zur Verdeutlichung nochmals wiedergegeben.21, 22, 25. Before the function of the observer 13 using FIG. 2 is explained in more detail, the model of the driving behavior or the longitudinal dynamics of the vehicle is described with reference to FIG. 3. In FIG. 3, components 31 to 36 from FIG. 2 are shown again for clarification.
Das Modell für das Fahrverhalten des Fahrzeugs bzw. für dessen Längsdynamik muß, damit es für die vorliegende Erfindung geeignet ist, zumindest zwei Bedingungen erfüllen:In order for it to be suitable for the present invention, the model for the driving behavior of the vehicle or for its longitudinal dynamics must meet at least two conditions:
- Es muß geeignete Eingangs- und Ausgangswerte haben, und- It must have suitable input and output values, and
- es muß statische wie dynamische Effekte hinreichend genau berücksichtigen.- Static and dynamic effects must be taken into account with sufficient accuracy.
Das Modell in Fig. 3 erfüllt diese Forderungen. Als Eingangswert empfängt es ein Gesamtmoment, das auf das Fahrzeug wirkt. Dieses Gesamtmoment MGes ist die Summe aller beschleunigenden und verzögernden Momente. Wenn das Gesamtmoment MGes Null ist, wird das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit fahren. Ist es größer Null, wird das Fahrzeug beschleunigt, ist es negativ, wird das Fahrzeug verzögert. In der Kalibrierung 31 wird das Gesamtmoment nach Maßgabe von Radradius und Fahrzeugmasse kalibriert. Unter "Kalibrierung" ist hierbei eine proportionale Umrechnung zu verstehen, die z. B. der Umrechnung, Normierung oder Werteanpassung dient. Man erhält dadurch eine einer Beschleunigung entsprechenden Größe. Im Integrierer 32 wird diese Größe integriert. Dadurch ergibt sich eine einer Geschwindigkeit entsprechende Größe. Außerdem ist eine die Dynamik nachbildende Baugruppe 33 bis 36 vorgesehen. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich um ein P^-Glied, das Veränderungen am Eingang nur allmählich an den Ausgang weitergibt. Das PTj-Glied besteht aus einem Subtrahierer 33, einer Kalibrierung 34, einem Integrierer 35 und der Rückführung 36, die am Subtrahierer 33 eingespeist wird. Durch den Wert derThe model in Fig. 3 meets these requirements. As an input value, it receives a total torque that acts on the vehicle. This total moment MGes is the sum of all accelerating and decelerating moments. If the total torque MGes is zero, the vehicle will drive at a constant speed. If it is greater than zero, the vehicle is accelerated, if it is negative, the vehicle is decelerated. In calibration 31, the total torque is calibrated in accordance with the wheel radius and vehicle mass. "Calibration" is to be understood here as a proportional conversion which, for. B. serves the conversion, standardization or value adjustment. This gives a variable corresponding to an acceleration. This variable is integrated in the integrator 32. This results in a variable corresponding to a speed. In addition, an assembly 33 to 36 that imitates the dynamics is provided. In the illustrated embodiment, it is a P ^ link that only gradually passes changes at the input to the output. The PTj element consists of a subtractor 33, a calibration 34, an integrator 35 and the feedback 36, which is fed in at the subtractor 33. By the value of
Kalibrierung 34 wird die Zeitkonstante des PTi-Glieds bestimmt.
Mit dem PTi-Glied wird der Tatsache Rechnung getragen, daß reale Systeme auf Änderungen ihrer Eingangsgrößen praktisch immer verzögert reagieren. Damit wird eine verbesserte Nachbildung der Fahrzeugdynamik möglich. Als Ausgang ergibt sich eine Geschwindigkeit VMod, die das Modell in Fig. 3 als "theoretische" Geschwindigkeit des Fahrzeugs anhand des eingegebenen Gesamtmoments MGes ermittelt hat.Calibration 34 determines the time constant of the PTi element. The PTi element takes into account the fact that real systems react almost always with a delay to changes in their input variables. This enables an improved simulation of vehicle dynamics. The output is a speed VMod, which the model in FIG. 3 has determined as the "theoretical" speed of the vehicle on the basis of the total torque MGes entered.
Die Reihenfolge der einzelnen Komponenten kann auch anders als in Fig. 3 gezeigt sein. Die gegenkoppelnde Rückführung 23, 24 in Fig. 2 sollte jedoch nach dem Integrierer 32 eingespeist werden. Die Einrichtung 14 zur Ermittlung der Ist- Fahrzeuggeschwindigkeit VRefFilt kann ein Sensor sein, der ein entsprechendes Signal ausgibt. Es kann aber auch eine komplexere Vorrichtung vorgesehen sein, die geeignete Beurteilungs- und Filtermaßnahmen vornimmt, um möglichst störungsfreie Signale zu erhalten.The order of the individual components can also be different from that shown in FIG. 3. The feedback loop 23, 24 in FIG. 2 should, however, be fed in after the integrator 32. The device 14 for determining the actual vehicle speed VRefFilt can be a sensor that outputs a corresponding signal. However, a more complex device can also be provided, which carries out suitable assessment and filtering measures in order to obtain signals that are as free from interference as possible.
Das bezugnehmend auf Fig. 3 beschriebene Fahrzeugmodell ist beispielhaft zu verstehen. Es können auch andere Modelle verwendet werden, die den weiter oben erhobenen Forderungen genügen.The vehicle model described with reference to FIG. 3 is to be understood as an example. Other models can also be used which meet the requirements set out above.
Nun abermals bezugnehmend auf Fig. 2 wird die Verwendung des Modells aus Fig. 3 im Beobachter 13 erläutert. Die vom Modell ermittelte "theoretische" Fahrzeuggeschwindigkeit VMod wird mit der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit VRefFilt verglichen. Insbesondere wird im Subtrahierer 22 die Differenz zwischen Modellgeschwindigkeit (auch Schätz- Fahrzeuggeschwindigkeit genannt) und tatsächlicher Geschwindigkeit (auch Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit genannt) VRefFilt gebildet. Die Abweichung zwischen Schätz- und Ist- Fahrzeuggeschwindigkeit ist auf extern verursachte, nicht modellierte Größen und insbesondere Momente zurückzuführen und erlaubt damit einen Rückschluß auf eben diese externen Größen und insbesondere Momente. Wenn das
Fahrzeug beispielsweise bergauf fährt, wirkt das extern verursachte Moment verzögernd. Ohne Berücksichtigung dieses externen Moments würde die Schatz-Geschwindigkeit zu hoch und insbesondere höher als die Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit sein. Wenn das Fahrzeug bergab fährt, wirkt das Hangabtriebsmoment beschleunigend. Ohne Berücksichtigung des Hangabtriebsmoments würde demnach die Schätz-Fahrzeuggeschwindigkeit VMod kleiner sein als die Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit VRefFilt. Somit kann aus der Abweichung und insbesondere der Differenz zwischen Schätz- und Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit die extern verursachte Größe, insbesondere das extern verursachte Moment, ermittelt werden. Damit dann der Beobachter 13 insgesamt stabil arbeitet, kann das ermittelte externe Moment zu den übrigen schon ermittelten Momenten (aus den Einrichtungen 10 bis 12) vorzeichenrichtig addiert werden. Dazu wird es im Summationspunkt 21 eingeführt. Die Einrichtung 25 ist eine Kalibrierung, die den Geschwindigkeitsunterschied in den entsprechenden Momentenfehler vorzugsweise proportional umrechnet. Damit ist der Ausgang der Einrichtung 25, das Signal MKorrekturBeo, das eigentlich gesuchte extern verursachte Moment, das als Ausgangssignal verwendet werden kann und das, wie schon gesagt, auch in den Beobachter am Summationspunkt 21 zurückgeführt werden kann.Referring again to FIG. 2, the use of the model from FIG. 3 in the observer 13 is explained. The "theoretical" vehicle speed VMod determined by the model is compared with the actual vehicle speed VRefFilt. In particular, the difference between model speed (also called estimated vehicle speed) and actual speed (also called actual vehicle speed) VRefFilt is formed in subtractor 22. The deviation between the estimated and actual vehicle speed can be traced back to externally caused, non-modeled variables and in particular moments and thus allows a conclusion to be drawn about these external variables and in particular moments. If that For example, if the vehicle is driving uphill, the externally caused torque has a delaying effect. Without taking this external torque into account, the treasure speed would be too high and in particular higher than the actual vehicle speed. When the vehicle is driving downhill, the downhill torque has an accelerating effect. Without taking into account the downhill drive torque, the estimated vehicle speed VMod would therefore be lower than the actual vehicle speed VRefFilt. The externally caused variable, in particular the externally caused torque, can thus be determined from the deviation and in particular the difference between the estimated and actual vehicle speed. So that the observer 13 then works overall in a stable manner, the determined external torque can be added to the other already determined moments (from the devices 10 to 12) with the correct sign. For this purpose, it is introduced in summation point 21. The device 25 is a calibration which preferably converts the speed difference in the corresponding torque error proportionally. This is the output of the device 25, the MKor correctionBeo signal, the externally caused moment that is actually sought, which can be used as an output signal and, as already mentioned, can also be fed back into the observer at the summation point 21.
Aus regelungstechnischer Sicht kann außerdem eine Rückführung 23, 24 vorgesehen sein, die ein der Differenz zwischen Schätz- Fahrzeuggeschwindigkeit und Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit proportionales Signal in das Fahrzeugmodell nach dem Integrierer zurückführt. Stabilität und dynamische Eigenschaften des Modells werden dadurch verbessert. Die gegenkoppelnde Rückführung kann beispielsweise am Summationspunkt 33 erfolgen.From a control point of view, a feedback 23, 24 can also be provided, which returns a signal proportional to the difference between the estimated vehicle speed and the actual vehicle speed into the vehicle model after the integrator. This improves the stability and dynamic properties of the model. The negative feedback can take place, for example, at summation point 33.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch diskrete Bauelemente implementiert sein. Sie kann aber auch durch einen geeignet programmierten Rechner gebildet sein, der die entsprechenden Eingangsgrößen empfängt, die gewünschten Ausgangsgrößen ausgibt
und Zugriff auf die weiterhin benötigten Daten hat. Das Verfahren wird vorzugsweise fortlaufend ausgeführt oder periodisch angestoßen.
The device according to the invention can be implemented by discrete components. However, it can also be formed by a suitably programmed computer which receives the corresponding input variables and outputs the desired output variables and has access to the data that is still needed. The method is preferably carried out continuously or triggered periodically.